汞脅迫對4個草坪草品種幼苗生理特性及養(yǎng)分積累的影響

杜建雄,李劍峰, 張淑卿, 袁涓文，呂世勇

(1.貴州財經(jīng)大學(xué) 公管學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2. 貴州師范學(xué)院 喀斯特生境土壤與環(huán)境生物修復(fù)研究所，貴州 貴陽 550018)

【研究意義】近年來，由于人類的各種生活和生產(chǎn)活動越加頻繁，導(dǎo)致自然生態(tài)環(huán)境越來越惡劣，通過各種途徑產(chǎn)生的重金屬在土壤中不斷積累增加，我國土壤重金屬污染問題越來越嚴(yán)重[1-2]，2014年4月環(huán)保部與國土資源部聯(lián)合發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示，目前我國有19.4 %的耕地受到嚴(yán)重的重金屬污染。因此，土壤重金屬污染是我國必須面對的重大生態(tài)環(huán)境問題。【前人研究進展】汞是一種慢性劇毒重金屬元素，汞進入土壤會造成土壤重金屬污染，土壤中的汞會導(dǎo)致其在植物體內(nèi)積累并可造成其生理功能紊亂，如影響種子發(fā)芽[3-4]、根腐爛[5]，同時也會對光合作用和酶活性等生理生化進程造成不利影響[6]，濃度過高時甚至可造成植物枯萎死亡[7-8]。【本研究切入點】草坪草作為一種景觀植物可以建植于非農(nóng)耕區(qū)，既能綠化環(huán)境又能保持水土，而且還被建植在一些被重金屬污染(除汞污染土壤外)的土壤中[9]，由于草坪草是一種非食性植物，可用來轉(zhuǎn)移土壤中的重金屬[10]，因此對于被重金屬污染的土壤修復(fù)有很大的應(yīng)用價值，但目前有關(guān)草坪草在汞污染土壤中建植的研究鮮見報道。【擬解決的關(guān)鍵問題】選用在貴州地區(qū)應(yīng)用廣泛的4個草坪草品種(黑麥草馬達，一年生黑麥草盛宴，紫羊茅派尼和傳奇)為材料，通過土培盆栽試驗?zāi)M汞脅迫環(huán)境，探究不同濃度汞脅迫對草坪草光合特性、葉片相對電導(dǎo)率、酶活性及N、P、K吸收的影響，分析植物體對汞脅迫的生理生化響應(yīng)，初步評價4個草坪草在汞污染土壤修復(fù)中的應(yīng)用潛力，以期為汞污染地區(qū)土壤生物修復(fù)提供合適的草坪草品種。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試草種：黑麥草(LoliumperenneL.)馬達(Motor)，一年生黑麥草(LoliummultillorumLam.)盛宴(Feast)，紫羊茅(FestucarubraL.)派尼(Pernille)和傳奇(Legend)，4個參試品種種子均于2016年3月購自百綠(中國)集團，種子凈度98 %。

供試土壤：采自貴州省貴陽市烏當(dāng)區(qū)農(nóng)田土，土質(zhì)為棕黃壤，取土深度0～20 cm。土壤pH 6.7，速效氮含量125.6 mg/kg，速效磷含量46.3 mg/kg，速效鉀含量92.8 mg/kg，Hg2+背景值0.72 mg/kg。土壤樣品去雜質(zhì)后置于烘箱，80 ℃烘烤1.5 h，烘干后混勻過0.15 mm篩，待用。

1.2 試驗方法

采取完全隨機設(shè)計試驗，以汞脅迫濃度為處理對象，共設(shè)置4個濃度梯度，Hg2+濃度分別為25、50、75和100 mg/kg，以不進行汞處理為對照(空白處理)。在貴州師范學(xué)院化學(xué)生命科學(xué)學(xué)院自建溫室大棚內(nèi)進行盆栽試驗，選用錐形塑料花盆(口徑9 cm，底徑6 cm，高8 cm)，各處理土壤根據(jù)相應(yīng)汞處理濃度混合HgCl2裝盆備用。每盆取10粒草坪草種子均勻撒播于花盆土表，覆蓋5 mm深相應(yīng)處理土壤，土壤總重220 g，每個處理設(shè)4個重復(fù)。

1.3 測定項目

Hg2+脅迫處理30 d后取樣測定各項生理指標(biāo)及養(yǎng)分含量。葉綠素含量：參照曾曉琳等[11]的方法以分光光度法測定。葉片PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)化效率(Fv/Fm)和葉片相對電導(dǎo)率：參照張治安等[12]的方法測定。丙二醛(MDA)含量：參照文瑛等[13]的方法以硫代巴比妥法測定。葉片可溶性糖含量：參照鄒琦[14]的蒽酮比色法測定。超氧化物歧化酶(SOD)活性：參照徐本美[15]的方法測定。植株速效N、P、K積累量：取新鮮植株樣品1.0 g，洗凈擦干，研磨后取提取液稀釋，用HM-TYA型土壤植株養(yǎng)分檢測儀(山東恒美)，以配套試劑測定植株體內(nèi)速效N、P、K含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2007 對原始數(shù)據(jù)進行整理，用SPSS 13.0 對試驗數(shù)據(jù)進行單因素方差分析，Duncan法進行多重比較，運用Excel 2007制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對參試草坪草品種葉綠素含量和Fv/Fm的影響

2.1.1 葉綠素含量 由圖1看出，4個草坪草葉綠素含量隨Hg2+濃度升高而逐漸降低。傳奇品種在25 mg/kg Hg2+脅迫下，其葉綠素含量與對照差異不顯著，但顯著高于其他濃度處理(P<0.05)；當(dāng)Hg2+濃度為100 mg/kg時，其葉綠素含量較對照低54.05 %。其他3個品種葉綠素含量均隨Hg2+濃度升高而顯著下降(P<0.05)，Hg2+濃度達100 mg/kg時，盛宴、派尼和馬達的葉片葉綠素含量與對照相比，分別下降60.18 %、57.65 %和53.69 %，盡管盛宴的葉綠素含量下降幅度最大，但其含量仍高于其他3個品種。總體看，Hg2+脅迫對草坪草葉片葉綠素含量有較大影響，但4個品種中盛宴表現(xiàn)出較強的抗Hg2+脅迫能力。

2.1.2Fv/Fm隨著Hg2+濃度升高，4個草坪草的Fv/Fm(PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)化效率)均呈下降趨勢(圖1)，且下降速度因品種而異。Hg2+濃度25 mg/kg時，4個品種的Fv/Fm值與對照相比差異不顯著，表明此時葉片光合能力未受到嚴(yán)重影響。50 mg/kg Hg2+濃度下，F(xiàn)v/Fm值較對照下降派尼的不顯著，其他3個品種的Fv/Fm值下降顯著(P<0.05)。Hg2+濃度高于75 mg/kg后，4個品種的Fv/Fm值較對照均顯著下降(P<0.05)。Hg2+脅迫對4個草坪草的光合效率均產(chǎn)生一定抑制，其中傳奇受到的抑制程度較大，盛宴的抑制程度最小。

不同小寫字母表示同一個品種在不同濃度Hg2+脅迫處理下差異顯著(P<0.05)，下同Different lowercase letters indicate significance of difference at P<0.05 level in the same variety under different Hg2+ concentration.The same as below圖1 不同濃度Hg2+脅迫下4個草坪草品種的葉綠素含量與Fv/Fm變化Fig.1 Leaf chlorophyll content and Fv/Fm of four tested turfgrass varieties under different Hg2+ concentration

2.2 不同處理對參試草坪草品種葉片MDA與SS含量的影響

2.2.1 MDA含量 由圖2看出，汞脅迫導(dǎo)致4個草坪草葉片MDA(丙二醛)含量增加，且隨Hg2+脅迫濃度的升高MDA含量迅速升高。Hg2+濃度25 mg/kg時，傳奇和派尼品種的MDA含量較對照差異不顯著；Hg2+濃度高于50 mg/kg 后，4個草坪草的MDA含量較對照均顯著增加。盛宴品種的MDA含量在各Hg2+濃度處理下均表現(xiàn)最低，而傳奇品種除50 mg/kg Hg2+脅迫處理外其余處理均最高。表明，草坪草傳奇品種對汞脅迫最敏感，抗汞脅迫能力較低；盛宴品種則對汞脅迫最不敏感，抗汞脅迫能力較強。

2.2.2 可溶性糖含量 隨Hg2+濃度升高，4個草坪草葉片的SS(可溶性糖)含量均表現(xiàn)為先上升后下降趨勢(圖2)。派尼、傳奇和盛宴品種在Hg2+濃度25 mg/kg處理時SS含量最高，且與對照差異顯著(P<0.05)。馬達品種則在Hg2+濃度50 mg/kg處理時達最高，與各處理間差異顯著(P<0.05)，但仍低于同處理組的盛宴。在各Hg2+濃度處理組中，盛宴品種的SS含量始終高于其他3個品種，傳奇品種的SS含量基本處于最低水平，表明傳奇對汞脅迫最為敏感，盛宴則對汞脅迫最不敏感。

2.3 不同處理對參試草坪草品種葉片SOD活性與相對電導(dǎo)率的影響

2.3.1 SOD活性 由圖3可見，隨著Hg2+濃度升高，4個草坪草葉片SOD(超氧化物歧化酶)活性均表現(xiàn)為先升后降，在50 mg/kg處理時達峰值。派尼和傳奇品種葉片SOD在Hg2+濃度25～50 mg/kg變化不明顯，但與對照差異顯著(P<0.05)。盛宴和馬達品種在25～50 mg/kg汞脅迫范圍內(nèi)其SOD與對照差異不顯著。Hg2+濃度高于75 mg/kg時，4個品種的SOD活性較對照顯著下降(P<0.05)。盛宴在各脅迫濃度下的SOD活性均高于其他3個品種。

2.3.2 相對電導(dǎo)率 隨著Hg2+濃度升高，4個草坪草葉片相對電導(dǎo)率均持續(xù)上升(圖3)。各品種在Hg2+濃度低于75 mg/kg時葉片相對電導(dǎo)率上升較平緩；當(dāng)Hg2+濃度達100 mg/kg時，4個品種葉片相對電導(dǎo)率均大幅度上升。除50 mg/kg處理外，在同一濃度Hg2+脅迫下，盛宴葉片相對電導(dǎo)率均低于其他3個品種。

圖2 不同濃度Hg2+脅迫下4個草坪草品種的MDA及可溶性糖含量Fig.2 Leaf MDA and soluble sugar content of four tested turfgrass varieties under different Hg2+ concentration

圖3 不同濃度Hg2+脅迫下4個草坪草品種的SOD活性及相對電導(dǎo)率Fig.3 Leaf SOD activity and relative conductance of four tested turfgrass varieties under different Hg2+ concentration

2.4 不同處理對參試草坪草品種幼苗養(yǎng)分積累的影響

2.4.1 N積累 從圖4看出，Hg2+脅迫濃度升高使4個草坪草速效N含量持續(xù)下降，當(dāng)Hg2+濃度為25 mg/kg時4個品種的速效N含量較對照顯著下降(P<0.05)，表明Hg2+脅迫對草坪草產(chǎn)生的抑制作用明顯。Hg2+濃度達100 mg/kg時，4個品種的N積累量較對照下降80 %以上，其中派尼降幅最大，盛宴降幅最小。

2.4.2 P積累 Hg2+脅迫對4個草坪草的P積累量產(chǎn)生較大影響，總體隨Hg2+濃度升高呈下降趨勢(圖4)。與對照相比，在25 mg/kg Hg2+脅迫下，盛宴品種的P含量下降不顯著，而馬達品種下降顯著(P<0.05)，派尼和傳奇品種則急劇下降。Hg2+濃度為50 mg/kg時，4個品種的P含量與對照相比降幅從大到小分別為傳奇(92.28 %)、馬達(90.57 %)、派尼(90.47 %)、盛宴(85.95 %)。相同Hg2+濃度下，盛宴的P含量均高于其他3個品種。

2.4.3 K積累 4個草坪草的速效K含量隨Hg2+濃度的升高而下降。Hg2+濃度為50 mg/kg時，4個品種速效K含量均顯著低于對照(P<0.05)。Hg2+濃度為100 mg/kg時，4個品種的速效K含量較對照下降69.82 %～83.48 %，其中以盛宴降幅最低。

3 討 論

葉綠體是植物進行光合作用的最基本單位，植物葉片單位面積葉綠素含量反映出植物光合能力的強弱[16]。植物葉片PS II原初光能轉(zhuǎn)化效率(Fv/Fm)是反映植物光化學(xué)反應(yīng)狀況的重要指標(biāo)之一[17]，因此，常用Fv/Fm值來度量PS II原初光能轉(zhuǎn)化效率。由于Hg2+具有較強的富集性，能在植物體內(nèi)大量積累，抑制光合作用，導(dǎo)致植株生長緩慢甚至停止，對植物生長傷害極大[18]。研究結(jié)果顯示，隨著Hg2+脅迫濃度增加，4個草坪草品種(黑麥草馬達，一年生黑麥草盛宴，紫羊茅派尼和傳奇)的葉綠素含量和Fv/Fm值逐漸降低，表明高濃度Hg2+脅迫嚴(yán)重破壞葉綠體結(jié)構(gòu)[19-20]，對草坪草光合作用產(chǎn)生抑制作用。Hg2+脅迫對盛宴品種的光合作用影響低于其他3個品種，表明盛宴抗汞脅迫能力強于其他3個品種。

當(dāng)植物遭遇逆境脅迫時，植物體則可啟動自身的SOD、POD、CAT等抗氧化酶系統(tǒng)[21]。過昱辰等[22]研究發(fā)現(xiàn)，地毯草受汞脅迫后，其SOD活性呈先升后降趨勢，與本研究結(jié)果一致。SS含量升高是植物面對脅迫環(huán)境時的應(yīng)激反應(yīng)，研究結(jié)果顯示，低濃度Hg2+脅迫顯著增加草坪草葉片SS含量，但當(dāng)Hg2+濃度升高至50 mg/kg時，SS含量則下降，這是由于各個品種應(yīng)對逆境脅迫時先提高其SS含量，降低水勢并提供能量，以提升對逆境的抵抗能力，而隨著Hg2+脅迫濃度升高，植株自我調(diào)節(jié)能力下降，SS被消耗殆盡。由于低濃度Hg2+脅迫誘導(dǎo)了草坪草品種體內(nèi)抗氧化酶SOD的表達，此時4個草坪草品種體內(nèi)滲透勢調(diào)節(jié)、活性氧代謝尚處于正常水平，隨著Hg2+濃度持續(xù)升高，代謝平衡被打破，葉片膜質(zhì)氧化系統(tǒng)加劇，導(dǎo)致SS含量下降，SOD 活性降低。當(dāng)Hg2+濃度達100 mg/kg 時，盛宴的SOD活性和SS含量均高于其他3個品種，表明盛宴受Hg2+脅迫的傷害小于其他3個品種。

圖4 不同濃度Hg2+脅迫下4個草坪草品種幼苗氮、磷及鉀的含量Fig.4 N, P and K content in seedlings of four tested turfgrass varieties under different Hg2+ concentration

植物器官在逆境下或衰老時，常會發(fā)生膜脂過氧化作用，從而產(chǎn)生丙二醛(MDA)，因此，常用MDA含量作為脂質(zhì)過氧化指標(biāo)來衡量細(xì)胞膜過氧化程度和植物對逆境條件反應(yīng)強弱[23]。研究結(jié)果顯示，經(jīng)Hg2+脅迫后，4個草坪草葉片的MDA和相對電導(dǎo)率較對照(空白)顯著增加(P<0.05)，說明Hg2+脅迫致使草坪草的細(xì)胞膜透性增加，從而引起植物體需要的營養(yǎng)物質(zhì)流失，且一些不利于植物生長的物質(zhì)由此進入植株體內(nèi)，最終導(dǎo)致植物體內(nèi)正常的生理功能發(fā)生變化，與李春龍[24]的結(jié)果一致。當(dāng)Hg2+濃度為100 mg/kg 時，盛宴葉片MDA含量和相對電導(dǎo)率較對照升高幅度均低于其他3個品種，說明盛宴受Hg2+脅迫傷害小。

N、P、K 為植物生長必須的三大營養(yǎng)元素，對植物的生長發(fā)育具有非常重要的作用。Hg2+脅迫時，通過與養(yǎng)分競爭植物根系的吸收部位，干擾植物對養(yǎng)分的吸收和利用[25-26]。研究結(jié)果表明，Hg2+對草坪草N、P、K積累影響較大，4個草坪草品種的N、P積累量均隨Hg2+濃度升高而下降，且品種間存在差異，盛宴N、P積累量較對照(空白)下降幅度低于其他3個品種，其原因可能是基質(zhì)中高濃度Hg2+降低了N、P 的有效態(tài)含量，導(dǎo)致植物對N、P 吸收量減少。4個草坪草對K 的積累量也隨Hg2+濃度增加呈下降趨勢，表明4個草坪草品種對K 的吸收受Hg2+干擾較多，可能是K 與Hg2+的交互作用較大所致。盛宴的K積累量較對照的下降幅度也低于其他3個品種，表明其受Hg2+脅迫的干擾較小，抗汞脅迫能力較強。

4 結(jié) 論

研究表明，不同濃度Hg2+脅迫對4個草坪草品種(黑麥草馬達，一年生黑麥草盛宴，紫羊茅派尼和傳奇品種)葉片的光合特性及生理指標(biāo)有明顯影響，隨Hg2+濃度升高，脅迫程度加劇，導(dǎo)致4個草坪草品種葉綠素含量和Fv/Fm、SOD活性、SS含量及幼苗N、P、K含量不同程度下降，而MDA含量和葉片相對電導(dǎo)率不同程度升高。綜合4個草坪草品種在不同濃度Hg2+脅迫下各項指標(biāo)的變化情況，Hg2+脅迫下一年生黑麥草盛宴比黑麥草馬達、紫羊茅派尼和紫羊茅傳奇受到的傷害程度低，顯示出較強的耐汞脅迫能力，可作為汞污染土壤生物修復(fù)中優(yōu)選的草坪草品種加以應(yīng)用。